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- 11 janvier, 2023
- Trek Performance Research
Bons sons. Mauvais sons. La science derrière l'acoustique révolutionnaire du Fuel EXe
Nous roulons avec tous nos sens, et la façon dont votre vélo fait du bruit lors d’un impact a un effet surprenant sur votre expérience de conduite. Jusqu’à présent, l’assistance des vélos électriques a eu un impact sur l’acoustique, mais nous avons tous appris à vivre avec.
Jusqu’à ce que le Fuel EXe arrive.
Boîte de vitesses de véhicule générique avec engrenages traditionnels. Source : iStock Images / Nordroden
Les moteurs de vélos électriques typiques transfèrent la puissance du moteur à la manivelle par un réseau d’engrenages, de courroies et/ou de poulies. Un grand nombre de pièces en mouvement rapide qui s’engrènent les unes dans les autres est synonyme d’un grand nombre d’occasions de produire des bruits élevés et désagréables.
En revanche, le moteur harmonique du Fuel EXe a juste une seule interface d’engrenage où la charge est tranquillement partagée sur beaucoup de dents à tout moment.
Dans cet article, nous allons vous emmener dans un voyage scientifique sur l’acoustique des vélos. Il s’agit d’une toute nouvelle catégorie de performance cycliste qui vous concerne probablement beaucoup plus que vous ne le pensez.
A la fin, nous montrerons que le Fuel EXe sonne 5 fois plus agréablement et 1,8 fois plus silencieusement que les autres VTTAE populaires. En fait, Fuel EXe sonne beaucoup plus proche d’un vélo traditionnel sans assistance, vous ramenant à la façon dont le pilotage était censé être.
Sceptique ? Avant d’entrer dans les détails, écoutons quelques échantillons rapides du Fuel EXe comparé à deux VTTAE populaires sur un trail. Enfin un VAE qui est agréable pour les oreilles !
Vos oreilles incroyables
L’ouïe est peut-être votre sens le plus puissant, et l’utilisation de microphones adaptés à votre audition relève d’une science assez extrême.
Vos oreilles peuvent détecter des amplitudes de pression sonore allant de 20 à 100 000 000+ micropascals – une gamme absolument énorme. C’est comme si une seule règle pouvait mesurer l’épaisseur d’une feuille de papier ou la hauteur d’un immeuble de 100 étages ! Pour tenir compte de cet énorme éventail, nous parlons généralement du son sur l’échelle logarithmique des décibels (dB).
Source : Getty Images / BSIP
Vos oreilles peuvent également détecter des fréquences sonores comprises entre 20 et 20 000 Hz, soit une autre gamme énorme. L’onde de pression unique qui atteint votre oreille contient une combinaison de toutes ces fréquences provenant de toutes les sources sonores qui vous entourent. La cavité cochléaire de votre oreille, en forme de spirale, sépare cette onde de pression combinée en fréquences individuelles et les code sous forme de signaux nerveux. Vos oreilles sont de véritables capteurs sonores puissants et fascinants !
Psychoacoustique
Les signaux nerveux émis par vos oreilles sont ensuite interprétés par le superordinateur d’analyse acoustique qu’est votre cerveau. Imaginez la puissance de traitement et la précision quasi-miraculeuses requises pour séparer et localiser en temps réel l’emplacement tridimensionnel de plusieurs sources sonores (ce que l’on appelle la localisation des sons). Votre cerveau analyse ensuite les motifs de tous ces sons, puis leur attribue des significations, des émotions et des associations.
La psychoacoustique est l’étude de la manière dont votre système oreille-cerveau perçoit et interprète le son. Diverses mesures psycho-acoustiques ont été développées pour convertir les données brutes des microphones en la façon dont vous percevez les sons en termes de quantité (intensité sonore) et de qualité.
Extrait de la norme CEI 61672
La perception de l’intensité sonore
La sensibilité de votre audition varie considérablement dans la gamme de fréquences. Par exemple, une onde sonore de 75 dB à 1 000 Hz semble beaucoup plus forte qu’une onde sonore de 75 dB à 100 Hz. Une façon courante de tenir compte de cette sensibilité variable consiste à appliquer une courbe de pondération A pour convertir les décibels (dB) en décibels pondérés A (dBA). Le dB définit la magnitude physique de l’onde sonore, tandis que le dBA représente approximativement l’intensité sonore perçue de cette même onde.
Extrait de la norme ISO 226:2003
Depuis le développement de la courbe de pondération A unique, les scientifiques ont tracé une série plus complète de « contours d’intensité sonore égale » qui reflète mieux les subtilités de vos oreilles. Dans ce graphique, deux points quelconques le long d’une ligne donnée ont la même intensité sonore, et chaque courbe est environ deux fois plus forte que celle qui lui est inférieure. Si vos oreilles fonctionnaient comme des microphones, toutes ces courbes seraient simplement des lignes horizontales équidistantes.
Ce tableau présente également la mesure de l’intensité sonore, les sones, qui remplissent la même fonction que les dBA mais sont plus sophistiqués et plus intuitifs. Les sones sont directement proportionnels à l’intensité sonore perçue (2x intensité sonore = 2x sones) alors que le dBA est assez peu intuitif (2x intensité sonore = ajouter 10 dB).
Qualité du son
Souvent, c’est la qualité d’un son, plutôt que son volume, qui détermine la distinction que fait votre cerveau entre les bons et les mauvais sons. Par exemple, le son aigu d’un moustique est relativement silencieux, mais il est aussi assez désagréable et se détache du fond pour attirer votre attention. Les ingénieurs qualifient ce type de son particulier de « tonal », mais notre cerveau peut interpréter de nombreux autres types de sons dans des catégories telles que le souffle, le grincement, le craquement, la stridence, le grondement, et bien d’autres encore.
Nombre de ces interprétations peuvent être quantifiées à partir des données des microphones en utilisant des mesures de qualité sonore telles que la tonalité, la netteté, la rugosité, le rapport de proéminence, la force de fluctuation et l’indice d’articulation. Ces mesures peuvent prédire votre plaisir à utiliser un produit, ainsi que votre impression sur sa qualité de fabrication et ses performances.
Medium shot of engineers working in test chamber on a car
Un exemple intéressant de qualité sonore est l’effort d’ingénierie considérable déployé pour produire le son de la fermeture de la portière de votre voiture. Ce son est secondaire par rapport à la fonction principale de la voiture, mais il influence grandement votre première impression de la solidité et de la fiabilité d’une voiture.
Psychoacoustique des vélos électriques
Et comment tout cela se rapporte-t-il aux vélos ? Au cours de plusieurs années de recherche sur la psychoacoustique des vélos, Trek Performance Research a découvert que la qualité sonore de votre vélo – souvent plus que son volume – a un impact important sur le plaisir que vous éprouvez à rouler. Pour les VTTAE, nous nous sommes concentrés sur deux paramètres de qualité sonore : la tonalité et l’indice d’articulation.
Le calcul de tonalité HMS utilise une séquence complexe de 14 algorithmes pour obtenir un modèle de la perception des tonalités désagréables par l’ensemble ouïe-cerveau (tiré de la norme ECMA-74:2019)
Tonalité
Les moteurs électriques ont tendance à émettre des sons aigus qui peuvent être perçus comme particulièrement désagréables [1, 2]. Comme dans l’exemple du moustique, le ronflement du moteur du vélo électrique se détache de l’arrière-plan pour attirer votre attention.
La tonalité (plus précisément la tonalité HMS) est une mesure moderne de la qualité sonore qui utilise une série d’algorithmes avancés pour modéliser avec précision la perception humaine de ce type de sons désagréables. Nous pensons que la tonalité est une nouvelle mesure clé de l’expérience des cyclistes sur un vélo électrique.
Indice d’articulation
Une grande partie de la pratique du vélo avec des amis et la famille est la possibilité de discuter, de se transmettre de nouvelles compétences et de se guider mutuellement sur de nouveaux sentiers. Mais les différents bruits de la piste – y compris le moteur de votre vélo électrique – peuvent vous empêcher d’entendre ce que disent les autres. L’indice d’articulation est une mesure de la qualité du son qui prédit la proportion de la parole qui est audible et constitue un bon indicateur de la façon dont les sons peuvent nuire à l’expérience de la sortie en groupe.
Outils et connaissances
La psycho-acoustique est une nouvelle science stimulante dans le domaine du cyclisme, mais elle fait une grande différence dans l’expérience de conduite. Le développement par Trek d’outils et de connaissances psycho-acoustiques pour les vélos reflète son engagement à améliorer l’expérience de conduite grâce à la science. En plus de nos capacités et de notre expertise bien établies en matière de vibrations, Trek Engineering peut désormais mesurer, comprendre et concevoir tout ce que vous ressentez et entendez sur le vélo.
Fuel EXe psychoacoustique
Le Fuel EXe révolutionne la façon dont un vélo électrique peut être silencieux et agréable – un fait que nous pouvons illustrer en utilisant des techniques avancées de test et d’analyse psychoacoustique qui ont été développées tout au long de la phase de prototypage du vélo. Le point culminant de ces tests a été un essai final du vélo de production dans l’environnement sonore le plus contrôlé possible – une chambre anéchoïque.
Dans la chambre anéchoïque, nous avons comparé le Fuel EXe à un vélo traditionnel sans assistance, à un VTTAE populaire à assistance légère et à un VTTAE populaire à haute puissance dans un large éventail de conditions sur un dispositif d’entraînement personnalisé et isolé du bruit. Pendant deux jours, nous avons recueilli 225 millions de points de données à l’aide de 21 microphones et d’un capteur de cadence qui nous a permis de relier la fréquence du son à la vitesse du moteur.
Lors de ces tests, nous avons analysé la tonalité, l’intensité sonore, la puissance sonore et l’indice d’articulation des vélos sur une plage de cadence de 40 à 100 tr/min, à une puissance totale de 300 W, et dans les deux niveaux d’assistance moteur les plus élevés. Tous les graphiques sont basés sur un microphone B&K 4966-H-041 placé à 1 m latéralement du vélo et à 1,7 m verticalement du sol (à hauteur de tête, entouré de bleu).
La tonalité du Fuel EXe
Ci-dessous, nous voyons les résultats de la tonalité – notre mesure clé pour la perception du bruit du moteur des vélos électriques. Le graphique de gauche montre la tonalité sur la gamme de cadence, et le graphique de droite fait la moyenne de ces résultats à un seul chiffre pour chaque vélo.
Ces graphiques de tonalité montrent que le Fuel EXe est comparable à un vélo sans assistance et 4-5x plus agréable que les autres VTTAE populaires. De plus, le bruit tonal du Fuel EXe est à peine perceptible, alors que les VTTAE typiques sont bien au-dessus du seuil désagréable.
Les lignes en continu représentent le niveau d’assistance le plus élevé tandis que les lignes en pointillés représentent le deuxième niveau d’assistance le plus élevé. Tonalité calculée selon la norme ECMA-74:2019.
« Le Fuel EXe a un son 4 à 5 fois plus agréable que les autres VTTAE populaires »
Échantillons sonores
Vous n’êtes pas un grand fan des graphiques ? Écoutez par vous-même depuis l’intérieur de la chambre anéchoïque !
Volume sonore du Fuel EXe
Bien que la tonalité se rapporte le mieux à votre expérience de conduite en vélo électrique, nous n’avons pas oublié l’intensité sonore. Les graphiques ci-dessous montrent l’intensité sonore perçue en dBA et en sones. Selon la combinaison de vélos et de paramètres que nous prenons en compte, l’EXE est de 1,5 à 1,8 fois plus silencieux que les autres vélos électriques et plus comparable aux vélos sans assistance.
Puissance sonore du Fuel EXe
La puissance sonore est une mesure acoustique clé, mais elle dépend de la direction de la distance choisie par le microphone par rapport à la source sonore. L’emplacement de notre microphone a été choisi pour représenter le son aux oreilles du pilote ou de son partenaire, car c’est l’endroit qui compte le plus.
Mais nous avons également franchi l’étape suivante en mesurant la puissance sonore, qui utilise un réseau hémisphérique de 12 microphones pour quantifier l’énergie sonore totale émise par le vélo dans toutes les directions. En d’autres termes, la puissance sonore représente la façon dont les vélos se comparent aux auditeurs à tout endroit autour du vélo.
Puissance acoustique en Watts dBA (norme ISO3744). Remarquez que la puissance acoustique sera normalement de 15,6 dB supérieure au niveau sonore, vu la position du microphone de niveau sonore à 1,7 m du moteur électrique.
Puissance acoustique en Watts dBA (norme ISO3744). Remarquez que la puissance acoustique sera normalement de 15,6 dB supérieure au niveau sonore, vu la position du microphone de niveau sonore à 1,7 m du moteur électrique.
Comme nous le voyons sur le graphique, la puissance sonore est très proche de l’intensité sonore près de la tête du cycliste. Cela valide à la fois nos résultats en matière d’intensité sonore et l’emplacement choisi pour nos mesures avec un seul microphone.
Indice d’articulation (norme ANSI S3.5).
Indice d’articulation du Fuel EXe
Comme nous l’avons vu précédemment, le bruit de votre vélo peut interférer avec votre capacité à parler aux autres lorsque vous roulez. L’indice d’articulation prédit la quantité de signaux vocaux pouvant être entendus dans un bruit donné. Encore une fois, l’EXe est beaucoup plus proche d’un vélo traditionnel que des autres vélos électriques et ne gêne pas vos conversations sur les pistes.
Essais sur le terrain
Bien que cet article se concentre sur les tests effectués dans la chambre anéchoïque hautement contrôlée, nous avons également emmené notre équipement de test acoustique sur le terrain pour le valider. Les résultats ont été conformes, le Fuel EXe mesurant 3 à 5 fois moins de tonalité et 1,5 à 1,8 fois moins de bruit que les autres VTTAE.
Analyse des cartes de couleurs
Une technique d’analyse très puissante consiste à représenter l’intensité sonore sous forme de couleurs sur une échelle de cadence et de fréquence sonore. Dans les cartes de couleurs ci-dessous, chaque ligne diagonale représente un son dont la fréquence (hauteur) augmente avec la cadence – ce sont les sons qui se détachent de l’arrière-plan et qui attirent votre attention comme étant désagréables.
Cartes de couleurs (assistance la plus élevée).
Chacune de ces lignes diagonales correspond à un composant physique de rotation dans le moteur, dont le rapport de vitesse et le nombre de dents / aimants se rapporte à la pente de la ligne. Il est clair que les transmissions traditionnelles des vélos électriques ont beaucoup de pièces mobiles qui créent beaucoup de sons, alors que la couronne harmonique du Fuel EXe ne crée qu’un seul son, beaucoup plus silencieux.
Toujours sceptique ?
Êtes-vous toujours sceptique sur le fait qu’une réduction de 5x de la tonalité acoustique vous apportera un zen total sur les sentiers ? Cliquez sur le lien ci-dessous pour savoir où vous pouvez essayer le Fuel EXe en personne !
A propos de l’auteur
Paul Harder est un ingénieur R&D principal chez Trek Bicycle. Depuis qu’il a obtenu un MS en génie mécanique de l’Université du Wisconsin en 2007, il a consacré sa carrière à améliorer votre conduite par la science et l’innovation.
Le tout nouveau Fuel EXe
About the Author: Trek Performance Research
Trek may have been born in a barn, but it was raised on rocket science. Trek Performance Research is the driving R&D force behind developing the industry’s most innovative products.
